潜艇操纵性水动力数值计算中湍流模式的比较与运用

湍流模式的选取对潜艇操纵性水动力数值计算精度有着重要影响,采用六种湍流模式计算了SUBOFF主艇体及主艇体加指挥室围壳两种模型在一定漂角范围内的潜艇操纵性水动力,并与试验值进行了比较,结果表明SSTk-ω模型更为适合潜艇操纵性水动力计算。在此基础上对SUBOFF全附体模型在一定漂角和攻角范围内的艇体水动力进行预报计算,并对该计算方法应用于潜艇操纵性水动力预报计算的计算精度与适用范围进行了探讨。

基于网格变形技术的全附体潜艇操纵性计算

通过求解瞬态雷诺时均方程和网格变形方程,实现了全附体潜艇平面运动机构试验(PMM)的虚拟仿真,得到潜艇模型所受的水动力分量随时间的变化曲线,依据线性理论求取水动力系数,并与试验值以及直线拖曳试验或回转试验的数值计算结果进行对比.结果显示:PMM数值试验所求得的水动力系数与试验值吻合良好,其中,惯性类系数求解精度较高,除个别系数外,误差都在8%以内.而粘性类系数求解精度不如直线拖曳试验(ORT)或回转试验(RAT)计算精度高,个别系数的计算误差超过了30%.但从数值试验的整体效果来看,PMM数值试验计算精度达到了工程应用的要求.

单一综合评价方法在潜艇操纵性评价中的应用

潜艇操纵性能包含指标众多,操纵性评价不是一个单指标评价问题,而是一个综合评价问题。建立科学合理的综合评价方法对潜艇的操纵性能进行综合评价具有重大现实意义。本文分别应用灰色关联分析法、灰色聚类评价法、模糊综合评价法和物元可拓评价法对某一潜艇的操纵性能进行评价,其中,灰色关联度分析法的预处理采用无量纲化方法,灰色聚类评价过程中采用的白化函数为三角形函数,模糊综合评价法采用岭形分布函数作为隶属函数确定模糊矩阵并应用计算综合评价向量,物元可拓评价法应用距离这一概念将不相容问题量化;最后对评价结果作出分析。

潜艇操纵模拟器综述

潜艇操纵模拟器用于潜艇操纵的模拟训练,在潜艇艇员的日常训练中具有重要地位。介绍了潜艇操纵模拟器的功能和组成,阐述了潜艇操纵模拟器的国内外发展概况,指出了潜艇操纵模拟器未来的发展方向是嵌入式、分布式和虚拟化,能够更加逼真、准确地完成各种状态下的操纵仿真训练,并以最大限度的代替实际装备作为最终目标。

共翼型舵潜艇操纵运动的数值模拟

为了提高潜艇的战术机动性能,采用一种稳定翼与转动舵共型的尾操纵面设计,为优化潜艇操纵性能提供新方案。采用数值模拟方法,针对SUBOFF标模进行系列的约束模型试验模拟,获取其水动力系数并与实验结果进行对比,确保计算方法的有效性。在此基础上,对潜艇的尾操纵面进行改造,分别设计非共型、共型尾操纵面,模拟两种尾操纵面形式潜艇在垂直面和水平面内操舵后的机动状态。采用共翼型设计的尾操纵面潜艇的操纵性能改善明显,在15°转动舵角范围内,共型舵艇的下潜速度相对非共型艇提高了21.3%~91.9%,回转直径相对于非共型艇减小了18.5%~28.1%,回转周期缩短了18.8%~46.5%,初始转艏时间缩短了5%~13.4%。共型尾操纵面设计能大幅提升潜艇的操纵性能指标。其在力学性能方面存在足够的裕度,因此可为潜艇其它性能方面进行更加深入的优化提供空间。

基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究评述

潜艇倒航操纵性研究是潜艇操纵性领域的难点问题。在调研和查阅了大量文献资料的基础上,综述了国内外潜艇倒航操纵性研究的发展概况,着重对潜艇倒航操纵运动数学模型、基于CFD的数值操纵水池技术和潜艇倒航运动操纵性能分析方法等方面存在的问题进行讨论,分析了基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究的可行性,提出了基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究的基本方法、需要解决的重点问题及关键技术。

潜艇水下悬停运动建模与操纵方法研究

潜艇水下悬停操纵,是在潜艇停车后,利用均衡系统使潜艇在水下某深度保持定深的操纵方法,优势是可以使潜艇在工作深度内的任意深度停泊,并可以立即从停泊状态转入机动。在战斗行动中,潜艇可在工作深度范围内进行悬停操纵,消除螺旋桨、机械设备产生的噪音,隐蔽待机,为声呐工作提供无干扰环境,同时减少蓄电池的使用,节约电能,提高潜艇续航力,因此潜艇水下悬停具有重要的战术意义。但潜艇悬停后易受海流、海水密度变化以及潜深等因素干扰,本文对潜艇水下悬停运动进行建模分析,研究不同因素对悬停操纵的影响以及悬停操纵的方法。

水平面操纵运动中潜艇受到的“离面载荷”的数值模拟

本文用数值方法研究了潜艇模型在水平面做操纵运动的过程中受到的垂向力和俯仰力矩。这种“离面载荷”来源于指挥台围壳梢涡诱导的环量和指挥台之后的艇体受到的横向流动之间的相互作用。本文用求解RANS方程的方法模拟了潜艇模型的斜航拖曳试验和旋臂回转试验。文中不仅分析了这两种情况下的受力和力矩,还捕捉到了操纵运动中潜艇绕流的漩涡结构,最后对产生离面载荷的物理机理进行了讨论。

矢量泵喷推进器尾流场特性及操纵性能研究

为改善潜艇泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性,降低潜艇噪声,提高潜艇的隐身性能。设计一种取消尾舵的潜艇矢量泵喷推进器,基于RANS方法对潜艇矢量泵喷推进器水动力性能进行数值计算,对潜艇尾流场特性、矢量泵喷推进器的推进性能和操纵性能进行研究,并与常规泵喷推进器作比较。计算结果显示,潜艇采用矢量泵喷推进器可取消尾舵的布置,降低转子盘面流场不均匀性,整体总阻力降低,推进器收到功率减小,推进效率提高19.9%;在0°~30°操舵舵角范围内,矢量推进器最大偏转力矩大于常规泵喷推进器+尾舵的偏转力矩。在相同的操舵角度下,矢量泵喷推进器偏转力矩大于常规泵喷推进器,说明潜艇安装矢量泵喷推进器可满足航行机动性的要求。这项研究为降低潜艇桨盘面不均匀性,提高潜艇声隐性能提供了新的途径。

全附体潜艇的PMM仿真实验

针对潜艇水动力系数求解及流场预测问题,本文通过求解瞬态雷诺时均方程,结合SUBOFF潜艇模型的具体参数和重叠网格法,提出了一种计算潜艇平面运动机构试验(PMM)的仿真方法,实现了PMM的虚拟仿真。将仿真试验的计算结果运用傅里叶变换获得了潜艇的加速度、角加速度的水动力系数,同时计算出频率为0.4 Hz时的潜艇的流场变化。结果显示:PMM数值试验所求得的水动力系数与试验值吻合良好,其中,惯性类系数求解精度较高,大部分系数的误差在17%以内,而黏性类水动力系数的求解精度远不如直线拖曳试验或回转试验计算精度高,个别计算系数超过了50%。从数值试验的整体效果上看,PMM数值试验方法可以用于潜艇惯性类系数的初步求解和预报,而黏性类系数的精度有待进一步研究。

潜艇近海底运动水动力数值计算分析研究(英文)

本文以SUBOFF潜艇模型为研究对象,利用FLUENT6.1软件,数值模拟了无限水域下的变攻角水动力特性曲线,与泰勒水池的模型试验结果比较分析表明,数值模拟具有较好的精度。本文用FLUENT6.1软件进一步计算分析了SUBOFF潜艇模型带攻角、带漂角、不同近底距离直航状态下的水动力特性,结果表明:无论有无攻角和漂角存在,潜艇运动(除阻力外)的五个水动力分量随近底距离的变化与“近底距离倒数平方”呈良好的线性关系,例如,ZH∝1H2,或Z'灼∝灼2。

潜艇组合翼舵的水动力非线性特性研究

潜艇尾操纵面形式上类似船用襟翼舵,但实际上是一种不同的组合翼舵。由于前段固定翼尾流的影响,组合翼舵在小舵角时舵力可能出现非线性特征。本文设计了两个二维的组合翼舵,并采用CFD方法进行了比较分析。结果表明:某些情况下(如文中的算例二),小舵角时的舵力非线性特性非常显著,舵力不仅不能简单地采用线性方程来表述,而且还应该加密试验测点,才能合理地描述舵力随舵角的变化规律。文中给出的定量结果还有待于物理模型试验的验证,但本研究所揭示的现象值得在今后的物理模型试验研究中予以关注。

潜艇应急上浮机动不稳定性建模与仿真

为了避免潜艇在应急上浮过程中,由于较快的上浮速度以及较大的负攻角,水动力呈现强非线性,在横向流作用下潜艇可能产生过大的横倾角甚至失稳倾覆。基于艇体水流入射角和方向角定义下的潜艇非线性水动力描述形式及其试验结果,采用一种新形式的大攻角非稳态潜艇操纵运动仿真数学模型,对高压气吹除主压载水舱后潜艇应急上浮过程的运动状态进行预报。采用拉瓦尔喷管理论对高压气吹除主压载水舱的热力学过程进行建模,并将该过程计算得到潜艇所受的复杂激变力作为潜艇操纵运动仿真数学模型的控制输入,计算结果表明:相较于高压气吹除指数模型,采用的拉瓦尔喷管模型能更为真实地反映实艇高压气吹除过程,对潜艇应急上浮机动的运动状态预报更为准确。应急上浮过程中快速造成较大的尾倾角有利于抑制横倾角的增大,且横倾角主要受水舱吹除顺序的影响,受初始深度的影响较小。根据潜艇事故工况下的初始状态制定有效的高压气应急吹除挽回策略,是抑制应急上浮横倾角的主要手段。

潜艇转舵时舵叶材料及舵杆位置对流激噪声特性的影响

[目的]旨在探究舵翼组合结构对流激噪声的影响。[方法]在考虑流体与固体相互作用的前提下,采用双向流固耦合理论计算转舵过程中的流场及声场,研究舵叶材料、舵杆位置变化引起声振的规律。[结果]结果表明:在铝合金、钛合金和结构钢这3种材料中,结构钢舵引起的脉动压力波动最小,其一阶峰值点最后出现;随着舵杆位置的后移,一阶峰值频率和幅值均增大,而二阶频率随着舵杆位置的后移减小,且舵杆位置前移会使100 Hz频率范围内的总声压级降低。[结论]研究表明,结构钢舵的声振特性最好,在一定范围内舵杆位置前移可以改善舵翼组合结构的声振特性。获得的结果对潜艇舵结构的声学设计具有一定的指导意义,在一定程度上可提高潜艇声隐身性能。

利用虚拟环境对潜艇甲板指挥进行训练

虚拟现实(VR)，即通常所说的虚拟环境(VE)，近年来在训练系统的开发领域受到了广泛的关注，开发商们已意识到虚拟现实作为一种灵活而有效的训练方法的潜力巨大。检验虚拟现实系统效果的最主要方法是对甲板指挥官(OOD)操纵水面状态的潜艇进行训练。潜艇OOD操艇训练虚拟环境(VESUB)项目是用来开发、验证和评估基于虚拟现实的OOD训练系统在训练方面的应用潜力。在VESUB技术验证阶段所进行的训练效果评估(TEE)中，VESUB训练器展示了它用于训练的有效性。共收集了15个操艇的变量数据，并分成了7个技能类别。结果清楚地表明，VESUB无论是对那些新艇员的训练，还是对富有经验的资深OOD的进修训练帮助都很大，15项性能度量指标中的11项都已取得了显著的效果。训练效果评估的结果充分显示出，虚拟现实技术对各经验等级的潜艇操纵技能都能提供有效的训练。

潜望镜深度潜艇的数学建模与运动仿真

潜艇在潜望镜深度航行时,会受到来自波浪的干扰力。采用波浪频谱的方法来计算波浪对潜艇的作用力和力矩,然后将干扰力叠加在深水中航行的潜艇运动方程上,得到在一阶和二阶波浪力干扰下的潜艇垂直面上的动力学模型。最后使用龙格-库塔法来求解方程,得到潜艇状态参数的仿真曲线,对潜望镜深度的潜艇操纵规律进行分析。计算机仿真结果是合理有效的。

潜射弹道导弹时潜艇运动仿真的数学模型

通过操纵潜艇使之满足水下发射弹道导弹时所需的条件,是影响导弹齐射时间间隔的重要因素.为了研究这一动态过程,需要对潜艇的运动过程进行仿真,而建立潜艇运动的数学模型是仿真的关键.潜射弹道导弹时潜艇要受到静力、艇体水动力以及复杂的激变力的作用.采用Gertler六自由度运动方程对潜艇的运动状态进行仿真时,需要充分收集潜射导弹试验数据,掌握潜艇的水动力系数和基本构造,在此基础上合理处理复杂激变力是建立潜艇运动仿真数学模型的关键.该文通过分析水下垂直发射弹道导弹阶段潜艇的受力情况,应用简化的Gertler六自由度运动方程建立潜艇空间运动的微分方程组,得到了用于潜艇运动仿真的数学模型.

北极海域潜艇浮起操纵控制研究

针对潜艇在北极冰层覆盖或冰间湖海域浮起时的操纵控制,建立基于潜艇可浮海域垂向密度梯度实测数据的浮力模型和无航速浮起操纵模型,并开发了相应的操纵控制软件。以艇体姿态和垂向速度为目标,研究潜艇在北极海域的浮起操纵特性,获得北极海域典型垂向密度梯度条件下的潜艇浮起操纵控制方法。仿真试验表明:利用自身的操艇系统,潜艇能以可控方式在极地海域安全浮起,浮起惯性的有效控制是潜艇浮起操控有效性和安全性的关键因素。

基于变论域模糊控制的X舵潜艇空间机动与试验验证

为了发掘X舵潜艇的操纵优势和空间机动能力,建立某型X舵潜艇空间运动模型,构建具备全局指数稳定性的X舵模糊控制系统,重点在X舵模糊控制规则、模糊论域动态调节、模糊积分控制与智能判据等方面进行优化设计.通过潜浮运动仿真比较了变论域模糊控制(VUFC)、常规模糊控制(FC)和比例积分微分控制(PID)的效果,结果表明:VUFC控制变深机动过程用时较其他两种控制方法缩短了一半,且无超调,能更好发挥X舵的变深机动能力;从空间运动控制效果来看,VUFC控制通过论域在线调节来满足潜艇变深和定深的不同控制需求,能充分发挥X舵灵活的操纵特性,适应潜艇的运动特点.采用X舵自航模对VUFC控制系统进行了试验验证,证明了该控制系统有效且不依赖模型参数.